Микробиота кишечника - это важнейший барьер, препятствующий распространению патогенов за счет выработки антимикробных соединений и истощения запасов необходимых питательных веществ.
В период гомеостаза в микробиоте толстого кишечника преобладают облигатно анаэробные бактерии, которые ферментируют невсосавшиеся углеводы и производят высокие концентрации короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК) - ацетата, пропионата и бутирата в просвете кишечника. Эти КЦЖК - слабые кислоты, которые проницаемы для клеточной мембраны, но воздействие более нейтрального рН в цитозоле приводит к их диссоциации. Последующее подкисление бактериального цитозоля приводит к ингибированию роста и служит неспецифическим защитным механизмом против вторжения энтеральных патогенов, таких как Salmonella enterica серовар Typhimurium (S. Typhimurium).
S. Typhimurium использует свои факторы вирулентности, две системы секреции III типа (T3SS-1 и T3SS-2), кодируемые островами патогенности Salmonella SPI1 и SPI2, соответственно, для преодоления колонизационной резистентности с помощью механизмов, которые до конца не изучены. T3SS-1 и T3SS-2 вызывают кишечное воспаление, которое стимулирует рост S. Typhimurium за счет увеличения доступности акцепторов дыхательных электронов, получаемых от хозяина, включая тетратионат, нитрат и кислород. Кроме того, при лизисе люминальных бактерий фагоцитами высвобождается аспартат, который способствует росту S. Typhimurium за счет фумаратного дыхания.
Было показано, что тетратионатное дыхание способствует росту S. Typhimurium в печени мышей за счет использования этаноламина, который образуется, когда таурин, высвобождающийся при деконъюгации желчных кислот, используется в качестве акцептора электронов. Кислород и нитрат позволяют патогену использовать полученный хозяином лактат или 1,2-пропандиол, продукт ферментации пентоз, образовываемый микробиотой. Однако рост культуры in vitro в условиях, имитирующих среду печени, позволяет предположить, что высокие концентрации КЦЖК и кислая среда печени противостоят конкурентному преимуществу, которое патогену дает кислородное и нитратное дыхание. Эти данные позволяют предположить, что факторы вирулентности S. Typhimurium воздействуют на хозяина, генерируя пока не идентифицированные ресурсы, которые позволяют патогену преодолеть ингибирование роста КЦЖК в просвете толстой кишки.
Аналогичным образом, наши данные свидетельствуют о том, что высокие концентрации КЦЖК и кислая среда в кишечнике противодействуют конкурентному преимуществу, которое S. Typhimurium получает благодаря тетратионатному дыханию или фумаратному дыханию in vitro. Эти данные свидетельствуют о том, что дыхание необходимо, но не достаточно для объяснения вторжения патогена в экосистему. Примечательно, что на 3-й день после инфицирования - момент, когда популяция патогена начинает разрастаться в толстой кишке, - воспаление, вызванное S. Typhimurium, не снижает ни плотность микробиоты, ни ее состав.
Эти данные позволяют предположить, что для первоначального вторжения в интактную экосистему, в которой ненарушенная микробиота производит высокие концентрации КЦЖК, необходимо декарбоксилирование лизина. По мере прогрессирования инфекции (т.е. между 7 и 10 днями после заражения) при колите, вызванном S. Typhimurium, плотность микробиоты снижается на два порядка, что сопровождается истощением видов Clostridia и заметным снижением концентрации КЦЖК. В таких условиях для роста патогена достаточно акцепторов дыхательных электронов, и ресурсы, противодействующие закислению цитозоля под действием КЦЖК, могут быть больше не нужны. Подобное снижение плотности микробиоты и уменьшение концентрации КЦЖК наблюдается также после лечения стрептомицином, который часто используется для повышения восприимчивости мышей к инфекции S. Typhimurium.
Таким образом, S. Typhimurium инициирует инфекцию, вызывая нарушение всасывания в подвздошной кишке, что облегчает вторжение в экосистему кишечника, где высокая концентрация КЦЖК, продуцируемых интактной микробиотой, ограничивает начальный рост патогена. По мере прогрессирования инфекции истощение микробиоты кишечника в результате воспалительной реакции хозяина создает более благоприятные условия для роста патогена, что приводит к доминированию S. Typhimurium в кишечнике, что, в свою очередь, обеспечивает передачу инфекции фекально-оральным путем.
